La parola elettricità deriva dalla parola greca elektron, con la quale gli antichi greci indicavano l'ambra, un materiale che se strofinato riusciva ad attrarre a sé oggetti leggeri come piume o foglie. Questa capacità attrattiva, che troviamo anche nella plastica e nel vetro, prende il nome di elettrizzazione: per effetto dello strofinio il materiale acquista una carica elettrica e avvicinandolo ad altri materiali questi si attraggono o si respingono come accade per le calamite
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Oggi, con termine elettricità (o energia elettrica), intendiamo tutti quei fenomeni fisici nei quali sono coinvolte cariche elettriche, dette elettroni, sia ferme sia in movimento.
L'unico caso di energia elettrica di origine naturale è quella dei fulmini, in tutti gli altri casi essa è ricavata dalla trasformazione di altre forme di energia (chimica, idraulica, solare, nucleare…); per tale ragione l’energia elettrica è definita un’energia secondaria.
Tra gli aspetti positivi dell’energia elettrica possiamo considerare che essa è pulita (il suo uso non produce polveri o residui), trasportabile a grande distanza e comoda da utilizzare (tutti noi sappiamo che è subito disponibile, basta premere un interruttore).
Allo stesso tempo dobbiamo tenere presente che l’energia elettrica è difficile da immagazzinare, quindi deve essere utilizzata immediatamente, e i suoi processi di produzione sono per lo più inquinanti.
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| l'energia elettrica |
INDICE
LA STRUTTURA DELLA MATERIA
CORRENTE ELETTRICA E CIRCUITI
GRANDEZZE ELETTRICHE E LEGGE DI OHM
COLLEGAMENTO IN SERIE E IN PARALLELO
LA STRUTTURA DELLA MATERIA
La materia è formata da molecole, a loro volta formate da particelle ancora più piccole dette atomi. Questa struttura è generalmente rappresentata da un modello al cui centro vi è un nucleo, formato da particelle di due diverse specie, chiamate protoni (cariche positive) e neutroni (cariche neutre). Attorno al nucleo sono in movimento altre particelle, molto più leggere dei protoni e dei neutroni, chiamate elettroni. I protoni e gli elettroni presentano una carica elettrica (positiva i primi e negativa i secondi), mentre i neutroni sono elettricamente neutri, cioè non hanno carica. |
| la struttura dell'atomo |
Un principio fondamentale dell’elettricità afferma che due corpi che possiedano cariche elettriche di tipo opposto si attraggono, mentre due corpi che possiedano cariche di uguale tipo si respingono come accade con le calamite; i protoni attraggono dunque gli elettroni con una forza detta forza elettromagnetica, che è un po' la colla che tiene insieme l'atomo e gli elettroni devono muoversi costantemente per non precipitare sul nucleo per effetto dell'attrazione.
In molti materiali (come ad esempio il legno, il vetro, le materie plastiche…) gli elettroni rimangono saldamente ancorati ai propri atomi: questi materiali vengono detti isolanti. In altri materiali (come per esempio i metalli) invece gli elettroni possono spostarsi da un atomo all’altro muovendosi attraverso il materiale stesso, questi materiali vengono detti conduttori.
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| elettroni che si spostano all'interno di un filo conduttore |
CORRENTE ELETTRICA E CIRCUITI
Immaginiamo
di avere due corpi conduttori tenuti separati, e che su uno di essi sia stata
accumulata una certa quantità di elettroni (generando una carica negativa), mentre sull’altro si abbia una mancanza di elettroni (generando una carica positiva). In
queste condizioni si dice che tra i due corpi esiste una differenza di
potenziale elettrico, o più comunemente una tensione elettrica; questa
differenza è una delle grandezze elettriche fondamentali e si si misura in Volt
(v).
Se i due corpi vengono collegati con un filo conduttore, gli elettroni
cominciano a scorrere lungo il filo per spostarsi dalla carica negativa alla
carica positiva: questo flusso ordinato di elettroni lungo un conduttore viene
chiamato corrente elettrica e si interrompe nel momento in cui le cariche che si sono spostate da un corpo all'altro annullano la differenza di potenziale,
quando cioè tra due corpi non ci sarà più una differenza di elettroni.
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| a sinistra: la corrente elettrica generata da una differenza di potenziale; a destra: schema di un circuito elettrico elementare |
La
tensione elettrica (detta anche voltaggio) è quindi la spinta che mette in
moto il flusso di elettroni lungo il filo conduttore.
Un analogia si può avere con il principio dei vasi comunicanti
Un analogia si può avere con il principio dei vasi comunicanti
Si può
paragonare la corrente elettrica, generata dal movimento degli elettroni in materiali conduttori, al flusso di un liquido attraverso
un tubo.
Consideriamo
due serbatoi contenenti un liquido (es. acqua), collegati tramite un tubo. Per
fare scorrere l'acqua nel tubo occorre che il liquido si trovi a livelli
diversi nei due serbatoi, in modo che un volume d'acqua posto ai due livelli abbia
una differenza di energia potenziale.
Così
come la differenza di livello tra due liquidi è in grado di creare una corrente
del liquido, è necessaria una differenza di potenziale elettrico per far muovere
le cariche.
Se vogliamo
che la corrente elettrica continui a fluire lungo il conduttore dobbiamo
collegare a quest’ultimo un generatore elettrico, ad esempio una pila, cioè un dispositivo che è capace
di mantenere costante la tensione elettrica tra i due corpi riportando
nuovamente gli elettroni dalla carica positiva a quella negativa. In questo
modo si ottiene un circuito elementare, cioè la connessione di elementi
elettrici in un percorso chiuso lungo il quale la corrente fluisce con
continuità.
Generalmente all’interno di un circuito è presente anche un utilizzatore (nella figura una lampadina) cioè un dispositivo in grado di trasformare l’energia elettrica in altre forme di energia (luminosa, termica, meccanica...).
Generalmente all’interno di un circuito è presente anche un utilizzatore (nella figura una lampadina) cioè un dispositivo in grado di trasformare l’energia elettrica in altre forme di energia (luminosa, termica, meccanica...).
nella figura è presente anche un interruttore che può aprire (lampadina spenta) o chiudere (lampadina accesa) il circuito impedendo o consentendo temporaneamente il passaggio degli elettroni.
GRANDEZZE ELETTRICHE E LEGGE DI OHM
TENSIONE ELETTRICA o VOLTAGGIO o DIFFERENZA DI POTENZIALE (V)
Misura il dislivello elettrico, cioè la differenza di elettroni che viene mantenuta tra un corpo con eccesso di elettroni (polo POSITIVO o carica POSITIVA) e il corpo con difetto di elettroni (polo NEGATIVO o carica NEGATIVA). L'unità di misura è il Volt (v). Il dislivello elettrico può essere tenuto costante da un generatore di tensione che trasferisce gli elettroni nel polo positivo prelevandoli dal polo negativo.
INTENSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA (I)
Corrisponde alla quantità di elettroni che passa attraverso un conduttore in un certo tempo. Immaginiamo di essere sul bordo di un’autostrada per contare quante auto passano in certo intervallo di tempo e misurare così l’intensità del traffico in quel punto. Con lo stesso metodo si misura l’intensità elettrica. L'unità di misura dell'Intensità è l'Ampère (A) che corrisponde al passaggio di circa 6 miliardi di miliardi di elettroni (le auto)al secondo attraverso una sezione del circuito (l'autostrada).
RESISTENZA (R)
Corrisponde alla capacità di un conduttore opporsi al passaggio della corrente e dipende da tre fattori
_il materiale conduttore: rame, alluminio ed argento hanno le resistenze più basse tra i conduttori, mentre il tungsteno, utilizzato per i filamenti dell elampadine a incandescenza, una resistenza molto alta;
_la lunghezza del conduttore: gli elettroni incontrano meno resistenza in un filo lungo 20 cm che in uno lungo 2 metri;
_la sezione: maggiore è il "diametro del tubo" battraverso cui passano gli elettroni minore sarà la resistenza.
L'unità di misura della resistenza è l'Ohm (Ω).
Le grandezze appena descritte sono legate dalla LEGGE DI OHM, che stabilisce la seguente relazione: l’intensità della corrente elettrica che scorre in un conduttore aumenta al crescere della tensione e diminuisce al crescere della resistenza; in altri termini l’intensità è proporzionale alla tensione (maggiore sarà la spinta maggiore sarà la quantità di elettroni che circolerà nel conduttore) ed è inversamente proporzionale alla resistenza (quanto più il conduttore si oppone al passaggio della corrente tanti meno elettroni passeranno in un dato tempo).
Misura il dislivello elettrico, cioè la differenza di elettroni che viene mantenuta tra un corpo con eccesso di elettroni (polo POSITIVO o carica POSITIVA) e il corpo con difetto di elettroni (polo NEGATIVO o carica NEGATIVA). L'unità di misura è il Volt (v). Il dislivello elettrico può essere tenuto costante da un generatore di tensione che trasferisce gli elettroni nel polo positivo prelevandoli dal polo negativo.
INTENSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA (I)
Corrisponde alla quantità di elettroni che passa attraverso un conduttore in un certo tempo. Immaginiamo di essere sul bordo di un’autostrada per contare quante auto passano in certo intervallo di tempo e misurare così l’intensità del traffico in quel punto. Con lo stesso metodo si misura l’intensità elettrica. L'unità di misura dell'Intensità è l'Ampère (A) che corrisponde al passaggio di circa 6 miliardi di miliardi di elettroni (le auto)al secondo attraverso una sezione del circuito (l'autostrada).
RESISTENZA (R)
Corrisponde alla capacità di un conduttore opporsi al passaggio della corrente e dipende da tre fattori
_il materiale conduttore: rame, alluminio ed argento hanno le resistenze più basse tra i conduttori, mentre il tungsteno, utilizzato per i filamenti dell elampadine a incandescenza, una resistenza molto alta;
_la lunghezza del conduttore: gli elettroni incontrano meno resistenza in un filo lungo 20 cm che in uno lungo 2 metri;
_la sezione: maggiore è il "diametro del tubo" battraverso cui passano gli elettroni minore sarà la resistenza.
L'unità di misura della resistenza è l'Ohm (Ω).
Le grandezze appena descritte sono legate dalla LEGGE DI OHM, che stabilisce la seguente relazione: l’intensità della corrente elettrica che scorre in un conduttore aumenta al crescere della tensione e diminuisce al crescere della resistenza; in altri termini l’intensità è proporzionale alla tensione (maggiore sarà la spinta maggiore sarà la quantità di elettroni che circolerà nel conduttore) ed è inversamente proporzionale alla resistenza (quanto più il conduttore si oppone al passaggio della corrente tanti meno elettroni passeranno in un dato tempo).
V=IxR o I= V/R o R=V/I
(V = tensione ; I = intensità ; R = resistenza)
(V = tensione ; I = intensità ; R = resistenza)
COLLEGAMENTO IN PARALLELO E IN SERIE
Può accedere che, nel circuito elettrico elementare visto in precedenza, si voglia aggiungere una seconda lampadina: i componenti di un circuito elettrico (ad esempio lampadine o generatori di tensione) possono essere collegati fra loro in serie oppure in parallelo.
Nel collegamento in serie i componenti del circuito sono collegati tutti allo stesso filo conduttore; in queste condizioni la tensione elettrica che la pila dovrà fornire (cioè la spinta necessaria a mettere in moto gli elettroni) sarà la somma delle tensioni necessarie al funzionamento delle due lampadine.
Nel collegamento in parallelo ogni componenti è collegato ad un circuito indipendente, in questo modo la tensione di ogni circuito è pari a quella del generatore; l’intensità generale, cioè la corrente elettrica totale in movimento, è invece la somma di quella dei singoli circuiti. In questo tipo di collegamento gli utilizzatori funzionano indipendentemente gli uni dagli altri: se uno non funziona gli altri continuano a funzionare.
Al contrario, nel collegamento in serie, se uno degli elementi posti in serie si interrompe (per esempio si brucia una lampadina) la corrente cessa di scorrere in tutto il circuito.
Anche i generatori che alimentano un circuito elettrico possono essere collegati in serie o in parallelo:
se si collegano in serie, le rispettive tensioni si sommano (è quello che accade, ade esempio per le batterie dei telecomandi, dove le singole pile sono disposte in serie per ottenere la tensione voluta);
se si collegano in parallelo, la corrente che ciascun generatore deve fornire è minore (se i generatori sono delle pile, esse avranno così una durata maggiore).
Nel collegamento in serie i componenti del circuito sono collegati tutti allo stesso filo conduttore; in queste condizioni la tensione elettrica che la pila dovrà fornire (cioè la spinta necessaria a mettere in moto gli elettroni) sarà la somma delle tensioni necessarie al funzionamento delle due lampadine.
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| circuito elettrico collegato in serie |
Nel collegamento in parallelo ogni componenti è collegato ad un circuito indipendente, in questo modo la tensione di ogni circuito è pari a quella del generatore; l’intensità generale, cioè la corrente elettrica totale in movimento, è invece la somma di quella dei singoli circuiti. In questo tipo di collegamento gli utilizzatori funzionano indipendentemente gli uni dagli altri: se uno non funziona gli altri continuano a funzionare.
Al contrario, nel collegamento in serie, se uno degli elementi posti in serie si interrompe (per esempio si brucia una lampadina) la corrente cessa di scorrere in tutto il circuito.
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| circuito elettrico collegato in parallelo |
Anche i generatori che alimentano un circuito elettrico possono essere collegati in serie o in parallelo:
se si collegano in serie, le rispettive tensioni si sommano (è quello che accade, ade esempio per le batterie dei telecomandi, dove le singole pile sono disposte in serie per ottenere la tensione voluta);
se si collegano in parallelo, la corrente che ciascun generatore deve fornire è minore (se i generatori sono delle pile, esse avranno così una durata maggiore).
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| generatori elettrici collegati in serie (in alto) e in parallelo (in basso) |
Ripercorriamo ora con questo video alcuni concetti fondamentali dell'elettricità